连续电去离子模块的改善的氯耐受性

技术领域

本文公开的方面和实施方案涉及用于从包含含氯化合物的水中去除污染物例如溶解的二氧化硅的装置和方法，所述装置和方法对水中的氯的降解表现出改善的抗性。

概述

根据方面，提供了一种电化学水处理装置。电化学水处理装置可以包括进料入口，该进料入口可流体地连接到包含溶解的二氧化硅和含氯化合物的水源。电化学水处理装置还可以包括电化学分离模块，该电化学分离模块可流体地连接到进料入口，该电化学分离模块包括稀释隔室、浓缩隔室、定位在稀释隔室和浓缩隔室之间的离子交换膜、以及第一电极和第二电极。稀释隔室的容积体(volume)的第一部分可以包括定位为紧邻进料入口的第一离子交换介质。稀释隔室的容积体的第二部分可以包括定位为远离进料入口的第二离子交换介质。第一离子交换介质可以比第二离子交换介质对含氯化合物具有更大的抗性。

在另外的实施方案中，电化学水处理装置可以包括流体地连接在电化学分离模块的稀释隔室下游的产物出口。

在一些实施方案中，第一离子交换介质相对于第二离子交换介质可以更大程度地抵抗由于吸收含氯化合物而引起的溶胀。

在一些实施方案中，第一部分占据稀释隔室的容积体的约10％至约30％，并且第二部分占据稀释隔室的容积体的约70％至约90％。

在某些实施方案中，第一离子交换介质可以包括两种或更多种离子交换介质的混合物。例如，两种或更多种离子交换介质的混合物可以包括至少一种阳离子交换介质和至少一种阴离子交换介质的混合物。在特定的实施方案中，至少一种阳离子交换介质和至少一种阴离子交换介质中的一种具有在约40％-50％之间的水分含量，诸如至少一种阴离子交换介质具有在约40％-50％之间的水分含量。

在一些实施方案中，第一离子交换介质可以在延长的时间段内，诸如几天、几周或几个月内，抵抗以约0.01ppm至约0.10ppm的浓度存在的含氯化合物。

在另外的实施方案中，第一离子交换介质可以包括高达约10％v/v的吸附剂，诸如碳质吸附剂。

在一些实施方案中，第二离子交换介质可以包括适合于去除来自水源的水中的溶解的二氧化硅的离子交换介质。在某些实施方案中，第二离子交换介质可以包括两种或更多种离子交换介质的混合物。例如，两种或更多种离子交换介质的混合物可以包括至少一种阳离子交换介质和至少一种阴离子交换介质的混合物。在特定的实施方案中，至少一种阳离子交换介质和至少一种阴离子交换介质中的一种具有在约50％-60％之间的水分含量，诸如至少一种阴离子交换介质具有在约50％-60％之间的水分含量。

在一些实施方案中，第一离子交换介质的至少一种阴离子交换介质可以比第二离子交换介质的至少一种阴离子交换介质具有更大的水分含量。在其他实施方案中，第一离子交换介质的至少一种阳离子交换介质和第二离子交换介质的至少一种阳离子交换介质具有大约相等的水分含量。

在一些实施方案中，第一离子交换介质和第二离子交换介质中的至少一种可以是微孔树脂、大孔树脂或交联凝胶。

在一些实施方案中，浓缩隔室的容积体可以包括具有与第一离子交换介质大体上相似的组成的第三离子交换介质。

在另外的实施方案中，电化学分离模块可以包括通过一系列交替的阳离子交换膜和阴离子交换膜分隔的多于一个稀释隔室和多于一个浓缩隔室。

根据方面，提供了一种降低水中的溶解的二氧化硅的浓度的方法。该方法可以包括将来自包含溶解的二氧化硅和含氯化合物的水源的进料流引导到在电化学水处理装置中的电化学分离模块的进料入口。电化学分离模块可以包括稀释隔室、浓缩隔室、定位在稀释隔室和浓缩隔室之间的离子交换膜、以及第一电极和第二电极。稀释隔室的容积体的第一部分可以包括定位为紧邻进料入口的第一离子交换介质。稀释隔室的容积体的第二部分可以包括定位为远离进料入口的第二离子交换介质。第一离子交换介质可以比第二离子交换介质对含氯化合物具有更大的抗性。该方法还可以包括施加横跨第一电极和第二电极的电压以产生具有降低浓度的溶解的二氧化硅的产物流和富含溶解的二氧化硅的浓缩物流。

在一些实施方案中，引导来自待处理的水源的进料流可以包括引导具有约1ppm的溶解的二氧化硅浓度的水。

在另外的实施方案中，该方法包括排出具有约1ppb的溶解的二氧化硅浓度的产物流。

根据方面，提供了一种促进包含溶解的二氧化硅的水的处理的方法。该方法可以包括提供电化学水处理装置，该电化学水处理装置包括可连接到包含溶解的二氧化硅和含氯化合物的水源的电化学水处理装置。电化学分离模块可以包括进料入口、稀释隔室、浓缩隔室、定位在稀释隔室和浓缩隔室之间的离子交换膜、以及第一电极和第二电极。稀释隔室的容积体的第一部分可以包括定位为紧邻进料入口的第一离子交换介质。稀释隔室的容积体的第二部分可以包括定位为远离进料入口的第二离子交换介质。第一离子交换介质可以比第二离子交换介质对含氯化合物具有更大的抗性。该方法还可以包括提供将来自水源的废水引导到电化学分离模块的进料入口的指令。该方法另外可以包括提供施加横跨第一电极和第二电极的电压以产生具有降低浓度的溶解的二氧化硅的产物流和富含溶解的二氧化硅的浓缩物流的指令。

附图简述

附图不按比例绘制。在附图中，在各个图中图示出的每个相同的部件或几乎相同的部件由相同的数字表示。为了清楚的目的，并非每个部件都可以在每个附图中被标记。在附图中：

图1图示了根据一种实施方案的电化学分离模块；

图2图示了根据一种实施方案的并入图1的电化学分离模块的水处理系统；

图3A图示了横跨用于具有不同离子交换介质配置的电化学分离模块的稀释隔室的压降；

图3B图示了横跨用于具有不同离子交换介质配置的电化学分离模块的浓缩隔室的压降；

图4图示了具有不同离子交换介质配置的电化学分离模块的二氧化硅去除性能；

图5A图示了横跨用于电化学分离模块的稀释隔室的压降，所述电化学分离模块具有与图3A中图示的离子交换介质配置不同的离子交换介质配置；

图5B图示了横跨用于电化学分离模块的浓缩隔室的压降，所述电化学分离模块具有与图3B中图示的离子交换介质配置不同的离子交换介质配置；

图6图示了具有不同离子交换介质配置的电化学分离模块的二氧化硅去除性能；以及

图7图示了具有不同离子交换介质配置的电化学分离模块的经处理的水的电阻率。

详细描述

离子交换是在固体(例如，离子交换树脂)和液体(例如，水)之间的可逆的离子交换。由于离子交换介质充当“化学海绵(chemical sponge)”，它们非常适合于从水和其他液体中有效地去除污染物。离子交换技术经常用于水的去矿化和软化、废水再循环以及其他水处理工艺。离子交换介质也用于多种专门的应用，例如化学加工、制药、采矿以及食品和饮料加工。

用于使用电场净化流体的装置，即电化学分离模块，可以用于处理包含溶解的离子物质的水和其他液体。在这些模块中的是通过离子选择性膜分隔的浓缩隔室和稀释(或消耗(depletion))隔室。电化学分离模块可以以交替的电活性半透阴离子交换膜和阳离子交换膜为特征。膜之间的空间被配置成产生具有入口和出口的液体流动隔室。经由电极施加的外加电场引起溶解的离子被它们相应的对电极吸引以迁移穿过阴离子交换膜和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室的液体被耗尽离子，并且浓缩隔室中的液体富集有传输的离子。

如本文使用的，措辞“分离模块”、“处理装置”、“净化装置”或“设备”涉及可以用于从待处理的流体中去除任何不期望的物质或降低任何不期望的物质的浓度水平的任何装置。合适的处理设备的实例包括但不限于离子交换树脂装置、反渗透(RO)装置、电去离子装置、电渗析装置、超滤装置、微滤装置和电容去离子装置。

在某些非限制性实施方案中，本文公开的方法和装置包括电化学分离模块。如本文使用的，措辞“电化学分离模块”指的是任何数目的电驱动的分离系统；非限制性实例包括但不限于电去离子装置、电渗析装置、电容去离子装置及其任何组合。电化学水处理装置可以包括根据本文描述的系统和方法的原理起作用的任何装置，只要它们不与这些操作不一致或相反。

在某些实施方案中，电化学分离模块可以包括电化学去离子单元。这样的装置的非限制性实例包括电渗析(ED)、反向电渗析(electrodialysis reversal)(EDR)、电去离子(EDI)、电容去离子、连续电去离子(CEDI)和可逆连续电去离子(RCEDI)。

电去离子(EDI)是使用一种或更多种离子交换介质和在电极之间施加的电势以影响离子传输来从水中去除或至少减少一种或更多种离子化的物质或可离子化的物质的工艺。离子交换介质通常用来交替地收集和排出离子物质和/或可离子化的物质，并且在一些实施方案中，用来通过离子取代机制或电子取代机制促进离子的传输，离子的传输可以是连续的。EDI装置可以包括永久填充或暂时填充(permanent or temporary charge)的电化学活性介质，并且可以分批地、间歇地、连续地和/或以反极性模式来操作。EDI装置可以被操作以促进一个或更多个专门地设计成实现或增强性能的电化学反应。此外，这样的电化学装置可以包括离子交换膜，诸如半渗透的或选择性渗透的离子交换膜或双极性膜。连续电去离子(CEDI)装置是以可以连续地进行水净化同时连续地再填充离子交换材料的方式操作的EDI装置。CEDI技术可以包括诸如连续去离子、填充池电渗析(filled cellelectrodialysis)或电透析(electrodiaresis)的工艺。在受控电压和盐度的条件下，在CEDI系统中，水分子可以被分裂以产生氢或水合氢离子或物质以及氢氧化物或氢氧根离子或物质，它们可以使装置中的离子交换介质再生并且因此促进从其中释放被捕集的物质。以这种方式，可以连续地净化待处理的水流，而不需要离子交换介质的化学再填充。

电渗析(ED)装置以与CEDI相似的原理操作，除了ED装置通常在膜和/或电极之间不包含电活性介质。由于缺乏电活性介质，ED的操作可能由于升高的电阻而被低盐度的进料水阻碍。而且，因为ED在高盐度的进料水上的操作可以导致升高的电流消耗，所以迄今为止，ED设备已经最有效地用于中等盐度的源水。在基于ED的系统中，因为不存在电活性介质，所以分裂水是低效率的，并且通常避免以这样的方案操作。

电容去离子(CapDI)装置用于通过向具有纳米尺寸的孔的一对电极施加电压以极化该对电极，从介质例如硬水中去除离子材料。这允许离子材料被吸附到该对电极中的至少一个的表面上。在CapDI装置中，低DC电压被施加到该对电极，并且然后包含溶解的离子的介质在两个电极之间流动。溶解在介质中的阴离子在正电极中被吸附并浓缩，并且溶解在介质中的阳离子在负电极中被吸附并浓缩。当以相反的方向供应电流时，例如通过使两个电极电短路，浓缩的离子从负电极和正电极解吸。由于CapDI装置不使用高电势差，因此能量效率是高的。当离子被吸附到电极上时，CapDI装置可以去除不期望的离子以及硬组分(hardness component)。CapDI装置不使用化学品来再生电极，并且因此CapDI装置具有相对低的环境影响。

CEDI装置和ED装置可以包括具有多于一个相邻的池(cell)或隔室的分离模块，所述池或隔室通过选择性渗透膜分隔，该选择性渗透膜允许带正电荷的物质或带负电荷的物质通过，但通常不允许两者都通过。在这样的装置中，稀释隔室或消耗隔室通常与浓缩隔室或浓缩隔室(concentrating or concentration compartment)隔开。图1图示了电化学分离模块的实施方案，诸如在CEDI装置或ED装置中使用的电化学分离模块。在图1中，电化学分离模块100包括稀释隔室102、浓缩隔室104以及分隔稀释隔室102和浓缩隔室104的离子交换膜106。在一些实施方案中，每种部件可以仅存在一个，即一个稀释隔室102、一个浓缩隔室104和一个离子交换膜106。如图1中图示的，电化学分离模块100可以包括通过一系列交替的离子交换膜106诸如交替的阳离子交换膜和阴离子交换膜分隔的多于一个稀释隔室102和多于一个浓缩隔室104。在其他实施方案中，可以存在比图1中图示的更大数目的稀释隔室和浓缩隔室。电化学分离模块100以分别作为阳极和阴极操作的第一电极108a和第二电极108b为边界。在稀释隔室102内，稀释隔室102的容积体的第一部分包括第一离子交换介质110a。稀释隔室102的容积体的第二部分包括第二离子交换介质110b；存在于图1中的稀释隔室102中的虚线为两个离子交换介质之间的界面提供了视觉帮助。浓缩隔室104包括第三离子交换介质110c。

在CEDI装置和ED装置中，直流(DC)电场通常从被施加到电极(阳极或正电极，以及阴极或负电极)的电压源和电流源横跨电池来施加。电压源和电流源(统称为“电源”)本身可以通过多种装置来供电，所述多种装置诸如交流(AC)电源或者例如来源于太阳能、风能或波浪能的电源。在电极/液体界面处，发生电化学半电池反应，电化学半电池反应启动和/或促进离子穿过膜和隔室的传输。例如，在图1中，当横跨第一电极和第二电极即阴极和阳极施加电压时，氢氧根离子和氢离子可以在水中形成，并且可以引起水中存在的离子迁移到相反极性的电极。

在一些实施方案中，对于包含在电解质隔室内的电极，在电极/界面处发生的特定电化学反应可以在某种程度上通过隔室中的盐的浓度来控制。例如，氯化钠高的阳极电解质隔室的进料将倾向于产生氯气和氢离子，而阴极电解质隔室的这样的进料将倾向于产生氢气和氢氧根离子。通常，在阳极隔室中产生的氢离子将与游离的阴离子诸如氯离子缔合，以保持电荷中性并产生盐酸溶液，并且类似地，在阴极隔室处产生的氢氧根离子将与游离的阳离子诸如钠缔合，以保持电荷中性并产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物，诸如产生的氯气和氢氧化钠，可以根据需要在工艺中被用于消毒目的、用于膜清洁和去污目的以及用于pH调节目的。

CEDI模块可以在由诸如聚酰胺的材料制成的RO膜的下游被使用。这种类型的膜对游离氯诸如来自水消毒工艺的残余氯具有有限的耐受性，并且因此进料水应当在RO单元中处理之前被脱氯。然而，系统混乱(system upset)确实会发生，例如，在使用还原剂诸如亚硫酸氢钠的脱氯系统中，这可能导致微量游离氯或氯胺到达下游CEDI模块。CEDI模块可以针对特定处理应用中的性能进行优化，如通过对具有特定物理性质和化学性质的膜和离子交换介质的选择而确定的。在一些情况下，前述优化可以包括为特定应用选择具有适当的交联量的离子交换介质。CEDI模块可以采用具有按重量计约1％至约10％的作为聚合物交联剂的二乙烯基苯(DVB)的离子交换介质。作为非限制性实例，用于阴离子交换工艺的离子交换介质可以具有按重量计约2％的DVB含量。作为另一个非限制性实例，用于阳离子交换工艺的离子交换介质可以具有按重量计约8％的DVB含量。对于离子交换介质，交联的重量百分比通常没有被指定，但可以在约1:1的对应关系的情况下从其含水量推断出。不希望受任何特定理论束缚，离子交换树脂的水分含量是填充固体树脂基质中的空隙的结合水(hydration water)的量的量度，如本文使用的，被认为是当暴露于水时离子交换介质可以吸收和保留的水的最大重量百分比。具有高水分含量的树脂包括较少的干物质，即由聚苯乙烯制成的基质，其具有桥接聚苯乙烯链的二乙烯基苯的交联部。增加的含水量(并且因此较少的干物质)可以为大离子移动进入和离开结构提供更容易的通路，但是增加的含水量降低了树脂的物理强度和对氧化侵蚀的抗性，这两者通常由交联的聚合物结构提供。在一些实施方案中，如果离子交换介质的水分含量在按重量计约40％至约50％之间，则离子交换介质可以被认为具有“高”交联含量。“低”交联的离子交换介质可以具有在按重量计约50％至约60％之间的水分含量。

从工艺水中去除溶解的二氧化硅可以通过在电操作分离装置(ED、EDI、CEDI等)的稀释隔室中使用高含水量、低交联的阴离子交换介质来获得，该高含水量、低交联的阴离子交换介质与低含水量、高度交联的阴离子交换介质相比对氧化物质诸如游离氯具有增加的易感性。在使用中，最靠近稀释隔室的入口的离子交换介质可能被进料水中的游离氯侵蚀，这引起离子交换介质溶胀，并且在一些情况下机械降解或分解，这引起流过整个电化学分离模块的水流的堵塞(blockage)。这些堵塞可能导致永久损坏，这需要重建或更换整个电化学分离模块。因此，将合意的是在电化学分离模块内包括一种或更多种离子交换介质，该离子交换介质可以处理包含氧化离子和分子的水，而不承受永久损坏或处理性能的损失。

根据方面，提供了一种水处理装置，其包括进料入口和电化学分离模块，所述进料入口流体地连接到或可连接到包含溶解的二氧化硅和含氯化合物的水源，所述电化学分离模块流体地连接到或可连接到进料入口。电化学分离模块可以包括稀释隔室、浓缩隔室、定位在稀释隔室和浓缩隔室之间的离子交换膜、以及第一电极和第二电极。稀释隔室的容积体的第一部分可以包括定位为紧邻进料入口的第一离子交换介质。稀释隔室的容积体的第二部分可以定位为远离进料入口。稀释隔室的容积体的第二部分可以包括第二离子交换介质，该第二离子交换介质比第二离子交换介质对含氯化合物具有更大的抗性，诸如在吸收或吸附含氯化合物时对溶胀或破裂具有更大的抗性。水处理系统还可以包括流体地连接在电化学分离模块下游的产物出口。产物出口可以被定位成将经处理的水排出到另外的下游处理步骤或使用点。

并入图1中图示的电化学分离模块的水处理装置的实施方案在图2中示出。如所示出的，连接到或可连接到待处理的包含溶解的二氧化硅和含氯化合物的水源(未示出)的进料入口101被定位成将来自水源的水分配到电化学分离模块100的稀释隔室102和浓缩隔室104中。当水流过消耗隔室102(在图2中以箭头示出)时，离子物质和其他带电荷的物质通常在电场诸如DC场的影响下被吸引到浓缩隔室104中。带正电荷的物质被吸引朝向位于多个消耗隔室102和浓缩隔室104的堆叠的一端处的阴极，诸如第二电极108b，并且带负电荷的物质类似地被吸引朝向位于隔室的堆叠的相对端处的阳极，诸如第一电极108a。第一电极108a和第二电极108b通常被容纳在电解质隔室(未示出)中，所述电解质隔室可以部分地与消耗隔室102和/或浓缩隔室104流体连通地隔离。一旦在浓缩隔室104中，带电荷的物质可以被可以至少部分地界定浓缩隔室104的离子交换膜106的屏障捕集。例如，阴离子可以通过阳离子交换膜被防止进一步朝向第二电极108b迁移以及迁移离开浓缩隔室104。稀释隔室102中的经处理的水可以从流体地连接在电化学分离模块100下游的产物出口112中排出。一旦在浓缩隔室104中被捕获，所捕集的带电荷的物质可以在浓缩物流中被去除并且被排出到废物出口114。

在一些实施方案中，定位为紧邻进料入口的稀释隔室的容积体的部分可以包括离子交换介质，该离子交换介质相比于在稀释隔室的在紧邻进料入口的部分的下游的远离进料入口的部分中的离子交换介质对含氯化合物具有更大的抗性，诸如对溶胀或破裂具有更大的抗性。稀释隔室的容积体的第一部分可以占据稀释隔室的容积体的约10％至约30％，诸如稀释隔室102的第一部分具有图1中图示的第一离子交换介质110a。对由第一离子交换介质占据的稀释隔室的容积体的选择可以由许多因素确定，包括但不限于入口水质(inletwater quality)、期望的经处理的水的水质、流量和水在电化学电池中的停留时间。例如，稀释隔室的容积体的第一部分可以占据稀释隔室的容积体的约10％至约30％，稀释隔室的容积体的约15％至约25％，或稀释隔室的容积体的约20％，例如，稀释隔室的容积体的约10％、约15％、约20％、约25％或约30％。不希望受任何特定理论束缚，将对溶胀或来自氧化物质诸如含氯化合物的其他反应更具有抗性的离子交换介质放置成更靠近进料入口，可以允许水在与第一离子交换介质接触后具有较低浓度的所述含氯化合物，并且因此不太可能溶胀或损害存在于稀释隔室中诸如存在于稀释隔室的容积体的第二部分中的其他离子交换介质的结构完整性。

在一些实施方案中，稀释隔室的容积体的第二部分，诸如图1中图示的具有第二离子交换介质110b的稀释隔室102的第二部分，可以占据稀释隔室的容积体的约70％至约90％。例如，稀释隔室的容积体的第二部分可以占据稀释隔室的容积体的约70％至约90％，稀释隔室的容积体的约75％至约85％，或稀释隔室的容积体的约80％，例如，稀释隔室的容积体的约70％、约75％、约80％、约85％或约90％。

在本文公开的水处理系统的一些实施方案中，第一离子交换介质和第二离子交换介质中的一种或两者可以包括两种或更多种离子交换介质的混合物。例如，第一离子交换介质和第二离子交换介质中的一种或两者可以是至少一种阳离子交换介质和至少一种阴离子交换介质的混合物。每种类型的离子交换介质的特定类型和特定量(例如％w/w或％v/v)可以由待处理的水的性质诸如化学组成确定。在一些实施方案中，阳离子交换介质和阴离子交换介质的二元混合物可以是以相等的量，例如在混合物中50％的每种极性介质。可选择地，每种极性的离子交换介质的相对量可以部分地由对化学侵蚀的抗性和离子传输性能之间的平衡来确定。例如，在具有诸如大于约0.02ppm的升高的浓度的氧化物质例如氯或含氯化合物的水中，第一离子交换介质可以具有被选择为相比于第二离子交换介质中的对应组分介质对含氯化合物具有更大抗性的组分介质。如本文描述的，对含氯化合物具有更大抗性的离子交换介质，即阳离子交换介质或阴离子交换介质，可以具有较高的交联含量并且因此具有较低的水分含量。在一些实施方案中，至少一种阳离子交换介质和至少一种阴离子交换介质中的至少一种可以具有在约40％-50％之间的水分含量，例如，约40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％或50％的水分含量。氧化物质通常是水中的阴离子，例如卤化物离子或过氧化物离子，并且因此第一离子交换介质的阴离子交换树脂可以具有在约40％-50％之间的水分含量，即增加的交联含量，以抵抗对水中存在的氧化物质的吸收以及来自该氧化物质的随后的溶胀或损坏。在一些实施方案中，第一离子交换介质可以在具有约0.01ppm至约0.10ppm的浓度的氧化物质的水中抵抗溶胀或结构损坏，使得在暴露于这样的水的延长的时间段之后，例如在几天或几周的时间段内，第一离子交换介质的溶胀或结构损坏是检测不到的。例如，第一离子交换介质可以在具有以下浓度的氧化物质的水中抵抗结构损坏：约0.01ppm至约0.10ppm，例如约0.01ppm至约0.10ppm、约0.02ppm至约0.09ppm、约0.03ppm至约0.08ppm、约0.04ppm至约0.07ppm，或约0.05ppm，例如约0.01ppm、约0.02ppm、约0.03ppm、约0.04ppm、约0.05ppm、约0.06ppm、约0.07ppm、约0.08ppm、约0.09ppm或约0.10ppm。

在一些实施方案中，第一离子交换介质还可以包括吸附剂，以减少来自水源的、进入电化学分离模块的水的污染物负荷。吸附剂可以是可用于处理水的任何合适的吸附剂，诸如碳质吸附剂，例如活性炭、沸石、金属海绵或其他类似的吸附剂。在一些非限制性实施方案中，吸附剂可以是固定粒度的珠状活性炭吸附剂。例如，合适的碳质吸附剂包括但不限于可得自Kureha Corporation(日本，东京)的A-BAC-MP(平均粒度0.5mm)或A-BAC-LP(平均粒度0.6mm)。其他合适的吸附剂在本领域中是已知的。吸附剂可以存在于第一离子交换介质中高达约10％v/v，例如约1％v/v、约2％v/v、约3％v/v、约4％v/v、约5％v/v、约6％v/v、约7％v/v、约8％v/v、约9％v/v或约10％v/v。

在一些实施方案中，第二离子交换介质包括适合于去除来自水源的水中的二氧化硅的离子交换介质。如本文描述的，对用于稀释隔室的任何部分的离子交换介质的选择可以由对含氯化合物的抗性，诸如在暴露于氯时对溶胀或结构损坏的抗性，与离子传输性能之间的平衡来确定。作为特定的实例，可以使用具有约5％-10％交联含量的阳离子交换介质来实现溶解的二氧化硅，大体积的阳离子，在电化学分离模块的隔室之间的传输。在其他实施方案中，对于电化学分离模块的隔室内的离子交换介质，二氧化硅去除可能不是考虑因素。在这种配置中，高交联(即较低水分含量)的离子交换介质可以在电化学分离模块的整个稀释隔室中以及在浓缩隔室中使用。

如本文描述的，在稀释隔室的容积体的第二部分中使用的离子交换介质，即阳离子交换介质或阴离子交换介质，可以具有较低的交联含量并且因此具有较高的水分含量。在这些实施方案中，这些类型的离子交换介质可以更适合用于离子传输，而不是抵抗由于氧化物质诸如含氯化合物的吸入(uptake)或吸收而引起的结构损坏。使用这些类型的离子交换介质的水处理可以在其中含氯化合物的浓度被在稀释隔室的容积体的第一部分中的第一离子交换介质降低的条件下操作。在稀释隔室的容积体的第二部分中的第二离子交换介质的一些实施方案中，至少一种阳离子交换介质和至少一种阴离子交换介质中的至少一种可以具有在约50％-60％之间的水分含量，例如，约50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％或60％的水分含量。在特定的实施方案中，至少一种阴离子交换介质具有在约50％-60％之间的水分含量。在稀释隔室内，第一离子交换介质的至少一种阴离子交换介质可以比第二离子交换介质的至少一种阴离子交换介质具有更大的水分含量。如本文公开的，在稀释隔室中的第一离子交换介质和第二离子交换介质之间的相对水分含量和交联度可以基于进入稀释隔室的进料水的水质以及期望的离子传输性能来确定。由于大多数含氯化合物的阴离子特性，在第一离子交换介质和第二离子交换介质中的每一种中的至少一种阳离子交换介质通常不受含氯化合物的影响。因此，在第一离子交换介质和第二离子交换介质中的阳离子交换介质的水分含量和交联度可以大约相等。可以根据需要调节该相对比率以满足性能指标，并且本文公开的本发明的实施方案不限于在稀释隔室的容积体的不同部分中具有拥有相等水分含量的阳离子交换介质。

在本文公开的任何电化学水处理装置的一些实施方案中，第一离子交换介质和第二离子交换介质中的一种或两者可以是适合于所公开的应用的任何物理形式。例如，第一离子交换介质和第二离子交换介质中的一种或两者可以包括交联的凝胶介质、微孔树脂或大孔树脂。形式的选择可以取决于电化学处理模块的尺寸、待处理的水的水质以及期望的处理后的水的水质。作为非限制性实例，在具有2.0mm至3.0mm的稀释隔室厚度或浓缩隔室厚度的薄电池电化学分离模块(thin-cell electrochemical separation module)中，可以在不导致水分解的操作条件下在稀释隔室的第一部分中使用高交联的、低水分含量(例如，40％-50％水分含量)的离子交换介质。在稀释隔室的第二部分中可以使用较少交联的、较高水分含量(例如，50％-60％水分含量)的离子交换介质，在所述稀释隔室的第二部分中可以发生大部分二氧化硅传输到浓缩隔室。作为另一个非限制性实例，在具有约10mm的稀释隔室厚度和/或浓缩隔室厚度的厚电池电化学分离模块中，已经观察到在稀释隔室的第一部分中的包含I型和II型强碱阴离子树脂两者及其混合物的离子交换介质在暴露于水中的氧化物质时易受结构损坏的影响。在这种配置中，高交联的凝胶离子交换介质或大孔离子交换介质将用于控制在稀释隔室的第一部分中的离子交换介质的电导率以及因此的离子传输性能，而不牺牲离子交换介质的结构完整性的目的。

在本文公开的电化学水处理装置的一些实施方案中，浓缩隔室的容积体包括具有与第一离子交换介质大体上相似的组成的第三离子交换介质。第三离子交换介质可以是两种或更多种离子交换介质的混合物，诸如如本文描述的至少一种阳离子交换介质和至少一种阴离子交换介质的混合物。如本文使用的“大体上相似的”指的是具有相同的并且以在10％内的相对量存在的离子交换介质的至少一种组分的两种不同的离子交换介质的物理和化学组成。例如，浓缩隔室中的第三离子交换介质可以具有与稀释隔室的第一离子交换介质或第二离子交换介质相同的阴离子交换介质和阳离子交换介质的组合，但是以每种组分的不同的质量百分比或重量百分比。作为简化的示例性说明，第一离子交换介质可以包含按质量计60％的介质A和按质量计40％的介质B，并且第三离子交换介质包含按质量计50％的介质A和按质量计50％的介质B。存在于第三离子交换介质中的离子交换介质的相对比率可以被选择成平衡稀释隔室的性能和浓缩物从浓缩隔室中的排出，并且减少经过稀释隔室和浓缩隔室的压降。

根据方面，提供了一种降低水中的溶解的二氧化硅的浓度的方法。该方法可以包括将来自包含溶解的二氧化硅和含氯化合物的水源的进料流引导到在电化学水处理装置中的电化学分离模块的进料入口。该方法还可以包括施加横跨第一电极和第二电极的电压以产生具有降低浓度的溶解的二氧化硅的产物流和富含溶解的二氧化硅的浓缩物流。电化学分离模块可以包括稀释隔室、浓缩隔室、定位在稀释隔室和浓缩隔室之间的离子交换膜、以及第一电极和第二电极。稀释隔室的容积体的第一部分可以包括定位为紧邻进料入口的第一离子交换介质。稀释隔室的容积体的第二部分可以包括定位为远离进料入口的第二离子交换介质，第一离子交换介质可以比第二离子交换介质对含氯化合物具有更大的抗性。

在一些实施方案中，引导来自待处理的水源的进料流包括引导具有约1ppm的溶解的二氧化硅浓度的水。在一些实施方案中，排出产物流包括排出具有约1ppb的溶解的二氧化硅浓度的产物流。

根据方面，提供了一种促进包含溶解的二氧化硅的水的处理的方法。该方法可以包括提供可连接到包含溶解的二氧化硅和含氯化合物的水源的电化学水处理装置。所提供的电化学分离模块可以包括进料入口、稀释隔室、浓缩隔室、定位在稀释隔室和浓缩隔室之间的离子交换膜、以及第一电极和第二电极。稀释隔室的容积体的第一部分可以包括定位为紧邻进料入口的第一离子交换介质，并且稀释隔室的容积体的第二部分可以包括定位为远离进料入口的第二离子交换介质。第一离子交换介质可以比第二离子交换介质对含氯化合物具有更大的抗性。该方法还可以包括提供将来自水源的废水引导到电化学分离模块的进料入口的指令。该方法另外可以包括提供施加横跨第一电极和第二电极的电压以产生具有降低浓度的溶解的二氧化硅的产物流和富含溶解的二氧化硅的浓缩物流的指令。

实施例

从以下实施例中，这些和其他实施方案的功能和优点将被更好地理解。这些实施例在本质上意图是说明性的，并且不被认为以任何方式限制本发明的范围。

以下实施例参考了可得自商业供应商的特定离子交换介质。适合于在本公开内容的电化学分离模块中使用的示例性阳离子交换介质包括但不限于C-211UPS(水分含量42％-48％，以Na

实施例1

表1说明了在不同电化学分离模块(A-D)的离子交换介质配置之间的比较，以评估对由于氯离子吸入引起的介质溶胀和/或分解的抗性以及对二氧化硅去除性能的影响。

表1.电化学分离模块离子交换介质配置

相对于模块A，模块B使用较高交联的阳离子树脂(C-373)，但使用相同的阴离子树脂(MARATHON

实施例2

表2说明了来自表1的模块C的离子交换介质配置与其离子交换介质配置的变化(模块CD和浓缩物)之间的比较，以评估对由于氯离子吸入引起的介质溶胀或分解的抗性、二氧化硅去除性能以及所得到的水质。

表2.电化学分离模块离子交换介质配置

如图5A-图5B中图示的，在约三个月的时间段内，模块配置C和CD在稀释隔室(图5A)和浓缩隔室(图5B)中均具有相对稳定的压降变化。这指示在到电化学分离模块的进料水中存在任何氧化物质的情况下离子交换介质的稳定性。模块C包括具有隔室容积体的约20％的较高交联的树脂的浓缩隔室的第一部分，其中隔室容积体的剩余部分包括较低交联的树脂。模块CD包括填充有较高交联的树脂的浓缩隔室的整个容积体。选择模块配置CD用于进一步测试，这是由于与表1中的模块配置D相比，浓缩隔室中较高交联的离子交换介质的较大百分比，这导致较小的压降。如图6和图7中图示的，模块配置C和CD表现出大致相同的性能，如在二氧化硅去除(图6)和经处理的水的电阻率(图7)的比较中所证明的。

本文使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被视为是限制性的。如本文使用的，术语“多于一个(plurality)”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”和“涉及(involving)”无论在书面描述还是权利要求及类似物中，是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意指涵盖在其后列出的项目及其等同物，以及另外的项目。关于权利要求，仅过渡措辞“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭的或半封闭的过渡措辞。在权利要求中修饰权利要求要素的序数术语诸如“第一”、“第二”、“第三”及类似术语的使用，本身并不暗示一个权利要求要素相对于另一个的任何优先、在先或顺序或者其中方法的动作被进行的时间顺序，而是仅仅用作标记以区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称(但为了使用序数术语)的另一个要素以区分权利要求要素。

已经由此描述了至少一种实施方案的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。在任何实施方案中描述的任何特征可以被包括在任何其他实施方案的任何特征中或者替代任何其他实施方案的任何特征。这样的改变、修改和改进意图是本公开内容的一部分，并且意图在本发明的范围内。因此，前述描述和附图仅通过实例的方式。

本领域技术人员应当理解，本文描述的参数和配置是示例性的，并且实际的参数和/或配置将取决于其中使用所公开的方法和材料的具体应用。本领域技术人员还应当认识到或能够仅仅使用常规实验确定所公开的具体实施方案的等效物。